論南寧至吳圩機場高速公路病害與改建方案

許建武，韋繼寧

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029)

論南寧至吳圩機場高速公路病害與改建方案

許建武，韋繼寧

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029)

文章以廣西南寧至吳圩機場高速公路舊水泥混凝土路面改建工程為例，通過分析該舊水泥混凝土路基路面病害情況及結(jié)構(gòu)狀況，提出了舊水泥混凝土路面病害處治方案，以及采用橡膠瀝青混凝土表面層及改性瀝青應(yīng)力吸收層的瀝青混凝土罩面設(shè)計方案，為類似工程提供參考。

高速公路；舊水泥混凝土路面；瀝青混凝土罩面；“白改黑”；病害；改建方案

0 引言

因國情，一定時期內(nèi)我國修建了大量水泥路面。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和交通量的增加，這些路面出現(xiàn)了大量的病害，嚴(yán)重影響了其正常使用，需要進行維修改造。對于水泥混凝土路面改造，根據(jù)實際情況主要有以下方案：(1)水泥路面再生利用；(2)水泥路面瀝青混凝土罩面(白加黑)。[1]瀝青混凝土罩面為目前常見改造方案。針對南寧至吳圩機場高速公路舊水泥混凝土路面改建工程的實際情況進行分析，研究與其相適應(yīng)的設(shè)計施工方案。

1 工程概況

南寧至吳圩機場高速公路起點位于蘇盆村附近接南寧市壯錦大道，路線往南經(jīng)蘇盆、古思、七坡坳、淥摹、屯里、河洲等地，終點位于吳圩機場入口。主線總長為16 630.889 m。

該高速公路在公路自然區(qū)劃Ⅳ區(qū)，為桂中盆地邊緣，地貌類型以平原微丘地貌為主，局部為河流階地地貌。沿線屬濕潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長冬短，雨量充沛，年平均降雨量為1 300 mm，平均相對濕度79%，陽光充足，霜少無雪，年平均氣溫21.8 ℃，最熱月為7、8月份，平均氣溫約為28 ℃，炎熱潮濕，最冷月為1月份，平均氣溫約為13 ℃。

路面設(shè)計采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性連續(xù)體系理論，瀝青混凝土路面設(shè)計軸載采用BZZ-100 kN。機場公路未來各特征年各路段及全線平均的預(yù)測交通量(折算成小客車)，2015年全線平均交通量為23 760(小客車，下同)輛/日，2020年為32 692輛/日，2030年為61 325輛/日，2034年為69 057輛/日。2015-2020年平均增長率為6.6%，2020-2030年平均增長率為6.5%，2030-2034年平均增長率為3.0%。

2 舊路檢測情況

由于交通量增長迅速，車輛超載非常嚴(yán)重，特別是超重車的增加造成南寧至吳圩機場高速公路水泥混凝土路面出現(xiàn)了一系列的損壞。

2.1 現(xiàn)有水泥混凝土路面狀況

對全線混凝土路面按規(guī)范[2]檢測調(diào)查知，左右全幅路面6車道水泥混凝土路面出現(xiàn)了不同程度的病害，主要為破碎板、裂縫、板角斷裂、錯臺、露骨等，尤其是左、右幅第三車道(重車道)破損較為嚴(yán)重，其裂縫、破碎板、露骨較多，裂縫和破碎板各占了總病害的28.8%，露骨占25.4%，影響了行車舒適性及安全性。原道路的接縫料目前外形保存比較良好，但由于使用多年未進行修復(fù)，目前已出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

2.2 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)強度狀況

對全線20%的路面進行彎沉值檢測，評定單元的檢測結(jié)果平均值為7.1(0.01 mm)～73.4(0.01 mm)之間。對接縫傳荷能力檢測，于全線抽檢20%，評定單元的接縫傳荷系數(shù)為14.3%～94.8%之間，整體接縫傳荷系數(shù)較好。在全線抽檢20%，對板底脫空情況進行檢測，針對重車道適度增加檢測頻率。評定單元板底脫空檢測第三車道較第一、二車道嚴(yán)重，脫空率較高。根據(jù)檢測期間觀察及記錄認(rèn)為，其與重車、超重車行駛較多有關(guān)。

2.3 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

于舊混凝土路面左右幅各鉆取35個芯樣，分別取水泥混凝土面層進行劈裂強度試驗和二灰基層無側(cè)限抗壓強度試驗，對路面結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)查檢測。水泥混凝土面層厚度標(biāo)準(zhǔn)值左、右幅分別為250 mm和249 mm，劈裂強度標(biāo)準(zhǔn)值左、右幅分別為3.2 MPa和3.38 MPa，彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值左右幅分別為5.15 MPa和5.39 MPa，彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值左、右幅分別為36 200 MPa和37 300 MPa。從二灰基層無側(cè)限抗壓強度試驗檢測結(jié)果看，左右幅抗壓強度均達到12 MPa，結(jié)構(gòu)強度較高。從基層頂面當(dāng)量回彈模量數(shù)據(jù)看，左右幅基層頂面當(dāng)量回彈模量相差較小，數(shù)值均在400～700 MPa之間。

綜合分析，交通量大且交通組成以重載交通類型為主以及工程所在地高溫多雨的氣候特點等因素是本工程路面病害的主要誘因。根據(jù)舊路檢測情況以及計算結(jié)果，最終確定了瀝青混凝土罩面方案，即在舊路水泥路面病害處治后，加鋪14 cm厚瀝青混凝土罩面層。

3 舊水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土罩面層設(shè)計方案

國內(nèi)外舊水泥混凝土路面瀝青罩面改造研究經(jīng)驗顯示，對于反射裂縫防治，無論是采用加筋或者應(yīng)力吸收消散的處治措施，只對防止水平方向變形有效，而對于豎向變形往往都收效甚微。[3]為了提高加鋪結(jié)構(gòu)的使用壽命和行車舒適性，在加鋪罩面層之前必須先對原舊路面進行一定的處治，改善其作為新路面基層的可靠性和穩(wěn)定性。

3.1 舊水泥混凝土路面病害處治方案

3.1.1 舊路面處治的原則

由于現(xiàn)狀機場高速公路路基的運行性能良好，未出現(xiàn)路基穩(wěn)定性、沉陷等重大病害，故未涉及到路基的改造內(nèi)容。且本路段目前尚未有大面積破損，路面剩余利用價值很大，所以在方案比選中，不考慮采用沖擊破碎舊路面板后按新建路面形式進行處治的方案。本次提出以板塊接縫兩側(cè)的彎沉差以及板塊單點彎沉控制水泥板塊的修復(fù)。

當(dāng)縱橫縫傳荷能力為中等或以下等級，或當(dāng)彎沉差>0.06 mm時，應(yīng)進行灌漿處理。同時結(jié)合對板塊進行逐板單點彎沉測量，以確定對板塊質(zhì)量控制和修補方案，具體做法如下：實測單點彎沉值<14(0.01 mm下同)時不處理；位于14和40之間，灌漿處理；>40，則按脫空板處理，需破除舊板重新澆筑混凝土板塊。

3.1.2 舊路面病害處治方案

對局部破損舊水泥混凝土路面，若有貫穿裂縫的斷板、碎板或板內(nèi)有多條裂縫或兩個以上板角破損，同時出現(xiàn)錯臺或沉陷的面板應(yīng)換板，并根據(jù)面板基層的破損程度對基層進行處理；若板塊一個角破損，且破損板角的面積小于1/4板時，只進行板塊的局部更換。如果基層出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)損壞、基礎(chǔ)變形，則應(yīng)處理相應(yīng)的基層；對板塊脫空處，如由于水泥混凝土路面板和基層之間出現(xiàn)空隙導(dǎo)致的路面沉陷，可采用水泥灌漿等方法進行板下封堵；對唧泥處采取壓漿處理；對錯臺高差≤10 mm的，采用磨平機磨平，或人工鑿平，錯臺>10 mm的，用瀝青砂或水泥砼填補；對沉陷、拱起、坑洞、構(gòu)造縫按規(guī)范[4][5]處理。

3.2 加鋪瀝青混合料結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)交通量、超載的實際情況和公路等級對路面強度的要求，及有關(guān)的公路設(shè)計規(guī)范，并結(jié)合沿線氣候、筑路材料的分布情況等，以安全舒適、經(jīng)濟耐久、環(huán)保美觀等原則，進行結(jié)構(gòu)組合設(shè)計及厚度計算。

舊水泥混凝土面層厚0.249 m?？v縫采用設(shè)拉桿平縫，橫縫采用不設(shè)傳力桿假縫。經(jīng)計算設(shè)計車道使用初期的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)為32 435次/日，已建成通車13年。由規(guī)范[7]的表A.2.2，臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)取0.22。按規(guī)范的式(A.2.2)計算得到剩余設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計車道標(biāo)準(zhǔn)荷載累計作用次數(shù)為：7.68×107次。故本路段的交通等級屬特重交通。

經(jīng)調(diào)查評定，路面損壞狀況的分級標(biāo)準(zhǔn)為中，接縫傳荷能力的分級標(biāo)準(zhǔn)為中；舊混凝土面板彎拉強度實測標(biāo)準(zhǔn)值為5.15 MPa，彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值為36 GPa。舊混凝土路面的施工變異水平為低。

舊混凝土路面的相對剛度半徑計算為：0.937(m)。荷載疲勞應(yīng)力計算為：2.97(MPa)。溫度疲勞應(yīng)力計算為0.07(MPa)。

本路段的變異水平為低，目標(biāo)可靠度為95%，可靠度系數(shù)為1.330。按規(guī)范公式(3.0.3)，路面的極限狀態(tài)：

γr(σpr+σtra)=4.05(MPa)≤fr=5.15(MPa)

因而，所選瀝青混凝土加鋪層厚度為0.14m，能滿足舊水泥混凝土路面承受剩余設(shè)計壽命期內(nèi)荷載和溫度應(yīng)力的綜合疲勞作用，達到改善路面使用性能的目的。結(jié)合項目特點及舊路狀況調(diào)查結(jié)果，路面加鋪采用以下方案：

采用BISAR3.0分析程序，荷載采用100kN標(biāo)準(zhǔn)軸載，雙圓均布荷載形式，當(dāng)量圓半徑為0.106 5m，輪隙間距為1.25r，罩面采用兩層結(jié)構(gòu)，假設(shè)層間狀態(tài)為完全連續(xù)，路面結(jié)構(gòu)物理參數(shù)參照規(guī)范和實際值：SMA-13和SMA-10的模量為1 400MPa，泊松比為0.25；AC-20C的模量為1 200MPa，泊松比為0.25；其他參數(shù)在路面評定中已說明。

表1 路面加鋪結(jié)構(gòu)表

由于考慮以往力學(xué)計算分析中數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)[7]，選取了中心軸沿輪跡帶上的10點(1～10點)，作為力學(xué)分析的基本作用點進行計算分析。當(dāng)不設(shè)應(yīng)力吸收層時，x、y、z方向的正應(yīng)力σ′表示用計算結(jié)果見表2：

表2 不同計算點位最大正應(yīng)力σmax表

注：d為雙圓荷載的當(dāng)量圓直徑。

通過表2可以看出，結(jié)構(gòu)在一定程度具有擴散、吸收加鋪層應(yīng)力的效果，應(yīng)力集中現(xiàn)象和裂縫的發(fā)展得到了抑制。因反射裂縫主要由接縫區(qū)加鋪層中兩側(cè)板塊垂直與水平的相對位移而產(chǎn)生的應(yīng)力造成，分析數(shù)據(jù)反映出應(yīng)力吸收層的存在，反射裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展被延緩，瀝青加鋪層的應(yīng)力集中現(xiàn)象在很大程度上被削弱。

面層采用橡膠瀝青SMA-13，在避免廢舊橡膠污染環(huán)境的同時改善了普通瀝青混凝土模量高、脆性大的缺點，大大提高了其高溫性能，與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境和交通量相適應(yīng)?？紤]到下面層在路面結(jié)構(gòu)中所發(fā)揮的功能，采用AC-20C改性瀝青混凝土較為經(jīng)濟。綜合考慮舊水泥路面已出現(xiàn)的病害，以SMA-10改性瀝青混凝土作為應(yīng)力吸收層，充分發(fā)揮了材料高強度、防止反射裂縫向上發(fā)展的同時減少了整個結(jié)構(gòu)的厚度。

4 結(jié)論

南寧機場高速公路舊水泥路面瀝青混凝土罩面工程已竣工運營一年多，后期回訪全線未發(fā)現(xiàn)新病害，瀝青罩面層使用狀況良好。本文依托南寧機場高速公路舊水泥路面瀝青混凝土罩面工程實例，在舊路使用狀況調(diào)查及檢測的基礎(chǔ)上，總結(jié)國內(nèi)外類似工程設(shè)計實踐經(jīng)驗、理論分析結(jié)果，提出了采用橡膠瀝青混凝土表面層及改性瀝青應(yīng)力吸收層的瀝青混凝土罩面設(shè)計方案。橡膠瀝青的應(yīng)用不但避免了廢舊橡膠污染環(huán)境，同時改善了普通瀝青混凝土模量高、脆性大的缺點，提高其高溫性能和抗裂性，可極大改善路用性能；分析數(shù)據(jù)顯示改性瀝青應(yīng)力吸收層的應(yīng)用延緩了反射裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，瀝青加鋪層的應(yīng)力集中現(xiàn)象在很大程度上得到抑制；應(yīng)對舊水泥路面病害提出針對性處治措施，是瀝青罩面改造工程的基礎(chǔ)，應(yīng)重視。此瀝青罩面層設(shè)計方案的成功實施對以后類似水泥混凝土路面“白改黑”工程設(shè)計有一定的借鑒意義。

[1]杜延昭.水泥路面加鋪瀝青面層的關(guān)鍵技術(shù)[J].黑龍江交通科技，2009，32(6)：91-93.

[2]JTG H20-2007，公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]李廷剛，劉甲榮，陳丕東.沖壓破裂穩(wěn)固技術(shù)在水泥路面白改黑工程中的應(yīng)用研究[J].公路交通科技，2010，27(7)：36-40.

[4]JTG H10-2009，公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[S].

[5]JTJ 073.1-2001，公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[S].

[6]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范[S].

[7]柳 浩，譚憶秋，宋憲輝，趙立冬.瀝青路面基-面層間結(jié)合狀態(tài)對路面應(yīng)力響應(yīng)的影響分析[J].公路交通科技，2009.3：1-6.

Discussions on Disease and Reconstruction Plan of Nanning-Wuxu Airport Expressway

XU Jian-wu，WEI Ji-ning

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Combined with old cement concrete pavement reconstruction project of Guangxi Nanning-Wuxu Airport Expressway，and by analyzing the disease situation and structural condition of this old cement con-crete road subgrade pavement，this article proposed the old cement concrete pavement disease treatment program，as well as the asphalt concrete overlay design plan by using the rubber asphalt concrete surface layer and modified asphalt stress-absorbing layer，thereby providing the reference for similar projects.

Expressway；Old cement concrete pavement；Asphalt concrete overlay；“White to Black”；Disease；Reconstruction plan

許建武，工程師，碩士研究生，研究方向：公路與城市道路工程。

U418.6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.007

1673-4874(2015)04-0025-03

2015-03-02